文献综述(或调研报告):
1.1课题背景和意义
随着时代前行,能源问题愈发受到人们关注。一方面,不可再生的化石燃料必将开采殆尽,另一方面,大量使用化石燃料所带来的环境问题日渐突出。这引起了人们对发展清洁可再生能源和高效能源储存技术的极大关注。然而,现有储能材料的储能能力已不能满足科技发展的需要。寻求更高能量密度、高充电倍率、高功率密度、长周期和环保的新型储能材料已经迫在眉睫。
因此,在不牺牲现有储能材料的其它特性,如超级电容器功率密度,的情况下提高其能量密度等成为研发新型储能材料的有效途径。锰金属氧化物具有理论比电容高、价格便宜、对环境友好等诸多优点,但同时存在导电性差和充放电过程中体积变化大的问题。金属有机骨架(MOFs),MOFs具有比表面积大、微观结构可调、孔隙率高、活性金属中心多等优点,不仅可以提高电极的导电性,而且可以作为一种高性能的活性电极材料应用于多种领域。石墨烯具有较高的比表面积、电导率以及优异的物理化学特性。石墨烯/Mn基MOF复合材料,通过两者复合可有望对锰氧化物电极实现改性,改善锰氧化物导电性差和充放电过程中体积变化大的问题。
1.2 MOF电极材料
金属-有机框架是由金属离子和含有氧、氮等的多齿有机配体组装成的具有孔洞结构的材料,它在催化、在催化、储能和分离等方面有着良好的应用前景。与传统的无机孔洞材料(如沸石)相比,金属-有机框架的分子结构、孔洞大小、比表面积等更容易从分子合成的角度加以调控,可变的有机配体和金属中心导致了MOFs结构和功能的多样性。通过改变金属中心或改变有机配体获得特定性能的MOFs,由于具有结构高度有序、比表面积大、孔径可调、暴露的金属活性位点均匀分散等特点,可以直接作为活性电极材料。
一般来说,通过控制合成参数,如起始化学品(金属前体和有机配体)、合成条件(温度、pH值、离子浓度等)和合成方法(水热法、微波辐射等),可以很容易地调整MOFs的结构和性能。此外,另一种有用的方法是合成后改性(PSM),通常用于有机配体的功能化或结合二级金属节点。[1]
近二十年来,基于合成方法和PSM技术,已经合成和研究了20000多个MOF。[2]近年来MOFs在先进能源领域的快速发展很大程度上依赖于其独特的可设计晶体结构。此外,应特别注意高孔隙率和小孔径,这是MOFs最显著的特征。[3]高孔隙率使活性中心更易接近,有利于传质和扩散,小孔径有利于小分子的吸附和分离。增加孔径的一种常用方法是使用加长的有机连接物来扩展等网状结构。
1.3 MOFs复合材料
近年来,人们通过将MOFs与碳[4]、聚合物[5]、酶[6]、石墨烯、金属纳米粒子[7]等多种功能材料相结合来提高MOFs的性能。所制备的MOF复合材料不仅表现出单一组分固有性能的提高,而且由于协同效应,还表现出新的物理化学性能。[8,9]MOFs与功能材料的结合有望成为能源材料的新的突破方向。
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